靖邊縣超采區滴灌工程五期管網典型設計

高彩芬，王 靜，馮 寧

（陜西省榆林市靖邊縣水資源調度中心,陜西 榆林 718500）

1 工程概況

靖邊縣高效節水灌溉項目滴灌工程五期工程范圍為靖邊縣靖邊縣地下水超采區小橋畔村、東坑村、毛窯村、黃家峁村、毛團村、硬地梁村、金雞沙村、四十里鋪村、新建村共53328 畝農田的節水灌溉,設計灌溉保證率為85%。

項目區內現建成有水源1120 眼,均用于農業灌溉,原有水泵型號為為200 QJ（32）40-91、200 QJ（32）40-78潛水泵,機井井徑30 cm,深200 m,松散層130 m,巖層70 m,靜水位埋深40 m,動水位埋深50 m,下泵深度60 m～80 m不等。項目區在灌溉期,水泵運行時出水量恒定。所以本次不新建水源井,直接利用原有機井500 眼。

項目灌溉水源采用地下水,通過原有機井利用水泵提水至地埋低壓管道,分干管間隔100 m布置給水栓,給水栓接支管、支管接毛管進行灌溉,給水栓為雙向給水栓,每次灌溉控制1條支管,支管長度為50 m。根據實地踏勘,毛管間距設置為0.9 m,布置在支管兩側,單側長度為50 m。

2 管網典型設計

選擇小橋畔村10 號井（片區）控制的98 畝耕地作為典型地塊進行設計。土豆種植方向為東西向,種植兩行為一畦。

2.1 基本參數

灌溉方式以滴灌灌溉,灌溉保證率一般取85%～95%,結合項目所在地水文氣象、作物組成及經濟效益等因素,綜合考慮,確定設計灌溉保證率為85%；灌溉水利用系數0.9；系統設計日工作小時數,20 h；其他有關技術參數如下：

①土壤計劃濕潤層厚度,本次滴灌以土豆為主,微灌土壤濕潤層厚度0.6 m。

②微灌設計土壤濕潤比,60%。

④土豆作物耗水強度,Ia=5 mm/d 。

2.2 田間管網布置

滴灌系統輸水管網采用如下

水源（原有機井）→計量裝置（水表、壓力表）→施肥罐（施肥控制裝置）→干管（地埋PVC管）→支管（PE管）→毛管（滴灌帶）。

2.2.1 輸配水管網

工程輸配水管網包括干管、分干管、支管、毛管,毛管沿作物種植方向鋪設,支管垂直于毛管鋪設,支管與分干管垂直布設,干管與分干垂直布設。

其中干管、支管埋設在地下,地埋深度大于最大凍土層以下（當地最大凍土層深度為1.3 m）,因此本項目設計管溝開挖深度為1.5 m；支管、毛管均鋪設于地面；分干管上布置給水栓,給水栓接支管、毛管進行灌溉,每個給水栓控制1根支管,因地塊面積不等,根據輪灌組劃分確定每次開啟出水栓數量。

出水栓間距100 m,支管間距100 m,單條支管左右兩側布置毛管,毛管間距0.9 m,每條支管控制110 條毛管,單條毛管長50 m。

2.2.2 毛管選擇與布置

根據設計濕潤深度,結合當地的土壤條件,考慮實際情況,本次毛管（灌水器）采用迷宮式滴灌帶,設計流量為qd=2.0 L/h,滴頭間距Se=0.3 m。

土豆種植兩行為一畦,毛管布置兩行土豆中間,平行于作物種植方向,毛管間距0.9 m。

本次毛管為內鑲片式滴灌管,外徑φ16 mm,滴頭間距0.3 m,工作水頭hd=8.0 m,流態指數0.5。

2.3 灌溉方法與灌水定額

2.3.1 灌水方法

灌水方法采用滴灌,種植作物為土豆,土豆的種植株行距為0.9 m。

2.3.2 灌水定額確定

式中：mmax為設計灌水定額,mm；γ為土壤容重,1.45 g/cm3；Z為設計土壤濕潤層深度,0.6 m；為適宜土壤含水率上下限（占干土重量百分比）。65%；田為田間持水量,24%；P為設計土壤濕潤比,60%。

本次設計取25.06 mm,16.7 m3/畝。

2.3.3 設計最大灌水周期

式中：Tmax為最大灌水周期,d ；Ea為作物設計日耗水強度,5 mm/d。

則灌水周期Tmax=25.06/5=5.02 d

計算設計灌水周期取為5 天。

2.3.4 設計毛灌水定額

M=mmax/η=25.06/0.9=27.84 mm（18.57m3/畝）

2.4 灌溉工作制度和流量的確定

2.4.1 灌水器的選擇

根據目前國內灌水器的種類和水力性能,擬選用Φ16毛管,滴頭技術參數見表1。

表1 滴頭性能參數表

2.4.2 一次灌水延續時間

灌水器流量q=2.0 L/h,灌水器間距Se=0.3 m,毛管間距Sl=0.9 m,經計算得：

式中：t為一次灌水延續時間；Se為滴灌出水器間距,m；Sl為毛管間距,m；qd為滴頭設計流量,L/h。

則一次灌水延續時間t=3.8 h,取t=3.8 h/組。

2.4.3 輪灌組數目

輪灌區數目計算公式為：

式中：N為輪灌組數目,個；C為系統設計日工作小時數,20 h。

根據實際灌溉,典型地塊輪灌組取26個（見表2）。

表2 滴灌區輪灌組劃分表

續表2

2.5 田間管道水利計算

2.5.1 灌水小區允許水頭差

毛管采用內鑲片式滴灌管,單根滴管長50 m,管徑16 mm,滴頭間距0.3 m,滴頭流量2.0 L/h,滴頭工作水頭ha=8.0 m,流態指數x=0.5。

毛管及支管允許水頭差根據下式計算。

當qv=20%時,灌水小區容許水頭差：

支、毛管水頭差分配比分別為 0.5、0.5,即：

2.5.2 毛管極限長度確定

毛管的極限容許長度按下式進行計算：

式中：Lm為毛管允許的極限長度,m；qa為滴頭設計流量,L/h,為2.0 L/h；S為毛管上出水孔間距,為0.3 m；D為毛管內徑,mm,為16 mm；K為毛管局部水頭損失加大系數,取1.05。

經計算,毛管極限長度為79.6 m,本次毛管（迷宮式滴灌帶）長度取50 m,符合要求。

2.5.3 管網流量及管徑確定①毛管進口流量

式中：Q滴為設計滴管流量,m3/h ；Se為滴頭間距,取0.3 m；L為滴管長度,取50 m；qd為滴頭流量,2.0 L/h。

經計算,單條毛管進口流量為0.333 m3/h。

②支管流量及管徑確定

根據管網布置和灌溉制度,一次灌溉每條支管同時最多開啟55條毛管,則：

式中：Q為設計流量,m3/h；D為管道管徑,mm；V為設計流速,1.5 m/s。

經計算,管徑為D支=97.46 mm。

本次支管選用φ90 PE管,壁厚2.7 mm , 工作壓力0.63 MPa。

③干管流量及管徑確定

根據管網布置和灌溉制度,灌溉系統由一條干管控制,灌溉時開啟一個輪灌組內所有支管,則：

Q干=38 m3/h（上述最大輪灌組流量）

干管經濟流速按1.3 m/s進行計算。

本次干管選取φ110 UPVC管,壁厚2.7 mm,工作壓力0.63 MPa。

2.5.4 系統水頭損失計算

1.3.該地區巖漿活動較為頻繁。巖漿巖分布面積也占到了70%以上，且具有代表性，主要以早期的郭林家超單元以及中生代的燕山，早期新元古代震旦早期的超單元以及雙頂超單元和馬連莊超單員，有各式種類的入侵和各類蔓延，研究區內的煌斑巖等中基性脈巖與礦體空間構造密切關聯，也就是深部巖漿活動的熱源釋放部位，是其熱源釋放的中心。

根據典型區管網布置及地形的特點,根據滴灌工作制度,進行水力損失計算,結果見表3。

表3 區塊-10（機井10）滴灌系統壓力最大時系統的水頭損失計算匯總表

①毛管沿程損失水頭：

式中：h毛為毛管水頭損失,m；F為多孔系數；hf為無旁孔出流時的沿程水頭損失,m；hj為毛管局部水頭損失取毛管沿程水頭損失的20%；Q毛為毛管流量,Q毛=0.333 m3/h；D為管道內徑,mm；L為管道長度,m,50 m；N為出口數目,個,取166個；f為摩阻系數,0.505；m為流量指數,1.75；b為管徑指數,4.75；x為進口端至第一個出水口的距離與孔口間距之比,為0.5。

毛管的最小水頭差hmin=8.0 m,其進口工作壓力水頭為：② 支管沿程水頭損失按下式計算：

式中：H支為支管水頭損失,m；F為多孔系數；hf為無旁孔出流時的沿程水頭損失,m；hj為支管局部水頭損失取支管沿程水頭損失的20%；Q支為支管流量,m3/h；D為管道內徑,mm；L為管道長度,取50 m；N為出口數目,110個；f為摩阻系數,0.464；m為流量指數,1.75；b為管徑指數,4.75；x為進口端至第一個出水口的距離與孔口間距之比,為0.5。

支管進口工作壓力水頭為：

③干管沿程水頭損失按下式計算：

式中：h為總水頭損失,m；hf為沿程水頭損失,m；hj為局部水頭損失取沿程水頭損失的 10%；Q為流量,40000 L/h；D為管道內徑,mm,104.6 mm；L為管道長度,（到支管J36 所流經管道）；f為摩阻系數,0.464；m為流量指數,1.77；b為管徑指數,4.77。

2.6 首部樞紐設計

由《低壓管道輸水灌溉工程技術規范》可知,管道系統設計揚程應按下式計算：

式中：Hp為水泵設計揚程,m；H0為管網進口壓力水頭,m；Zd為動水位,50 m；h首為首部設備水頭損失,取10 m；h為最不利灌水點與管網進口處的地形差,0.5 m。

通過計算,本項目水泵揚程計算結果=50+0.5+10+22.11=82.61 m。

（2）水泵選型

原機井水泵型號為200QJ40-91/7-18.5kW潛水泵,則本次設計可直接利用原有水泵。

2.7 管道節點壓力校核

管道節點壓力計算采用下式計算：

式中：Hin為管道節點壓力水頭,m；∑hf為管網入口壓力水頭,m；∑hj為計算管線沿程水頭損失,m；Z為計算管線局部水頭損失,m；為設計控制點與管網入口地面高程差,m。

帶入數值,計算選取管道節點水頭壓力見表4,均滿足設計標準。

表4 各滴灌系統管道節點壓力計算表

3 結語

項目的實施帶動超采區實現滴灌普及,實施后可以產生經濟效益3631.71 萬元,節地1067 畝,節水426.63 萬m3。同時,通過節水灌溉工程的實施,將會改善項目區的農業生產狀況,推動農業生產的全面發展,促進了農業結構調整,水資源短缺現象將得到有效緩解,可有效減少灌區地下水的開采量,從而有效遏制地下水位不斷下降的趨勢。